New lab-on-a-chip strategies for enantio-selective and non-diffusion-limited biosensing

Abstract

The race for fast and small that drives nowadays society has also reached the field of biosensing. Looking for efficient and cost effective biosensors for applications including screening and treatment monitoring, biomolecular engineering, drug design and food industry; plasmonics and microfluidics technologies have synergistically grown to offer the most attractive solutions. The recent progress in nano-optics has paved the route toward the development of highly sensitive and label-free optical transducers using the localized surface plasmon resonance (LSPR). Additionally, LSPR offer high-end miniaturization and high degree of tunability of both sensors’ spatial and spectral responses. These unique properties have recently been interfaced with microfluidics towards lab-on-a-chip (LOC) functional platforms which offer reduced sample volumes and multi-tasking operations on a single chip. Combining nano-optics, microfluidics and biochemical sensing makes this PhD project highly multidisciplinary. This blend aims at pushing the limits of LSPR sensing by addressing two significant problems in the biosensing community. On one hand, we went through chiral plasmonic sensing. Chiral molecules exhibit signatures in the ultraviolet frequency region. They are typically characterized by circular dichroism (CD), which suffers of low sensitivity and the need of big sample volumes and concentrations. Plasmonic nanostructures have the potential to enhance the sensitivity of chiral detection and translate the molecular signatures to the visible spectral range. However, to date, it remains unclear which properties plasmonic sensors should exhibit to maximize this effect and apply it to reliable enantiomer discrimination. As a consequence, a collection of results of difficult interpretation and cross comparison can be found in the literature. Here, we bring further insight into this complex problem and present a chiral plasmonic sensor composed of a racemic mixture of gammadions that enables us to directly differentiate enantiomers. We also present a plasmo-fluidic sensing platform, which allows the systematic study of chiral biomolecules by enabling multiple sensing assays on a single chip. On the other hand, we addressed one of the major challenges of plasmonic sensing in microfluidics environments; the transport of the analyte to the sensor surface, which due to the laminar flow that rules in micro-channels, is limited by Brownian diffusion. Hence, dictates the total duration of the sensing assay. Here, we use the electrothermoplasmonic (ETP) effect to overcome this limit through opto-electrical fluid convective flow generation. To this end, we designed a LSPR sensing chip that integrates ETP operation into state-of-the-art microfluidics. Our results demonstrate that ETP-LSPR has improved performances over standard LSPR.

La continua carrera de la miniaturización y la velocidad, que gobierna la sociedad tecnológica de hoy en día, ha alcanzado también el campo de los bio-sensores. Plasmónica y micro-fluídica, dos tecnologías complementarías, han crecido durante sinérgicamente en las últimas. Juntas son capaces de atender la exigente demanda de soluciones más efectivas y económicas en campos como el diagnóstico y tratamiento médico personalizado, la ingeniería bio-molecular, el diseño de fármacos y la industria alimentaria. El reciente progreso del campo de la nano-óptica ha forjado el camino para el desarrollo de sensores ópticos altamente sensibles y sin requerimiento de marcadores moleculares. Los sensores basados en resonancias plasmónicas superficiales localizadas (LSPR) son de gran atractivo debido a sus posibilidades de miniaturización y versatilidad en la caracterización de sus respuestas espaciales y espectrales. Estas propiedades únicas se han combinado recientemente con la micro-fluídica, dando lugar a plataformas funcionales integradas, conocidas como laboratorios en un chip (LOC). Dichas plataformas permiten reducir significativamente los volúmenes de muestra, además de realizar multiples operaciones en un solo chip. La combinación de la nano-óptica, la microfluídica y la detección bioquímica hacen de este proyecto de doctorado una tarea altamente multidisciplinar. Esta mezcla opta por llevar los límites de los sensores LSPR enfrentando dos de los problemas más notables en las últimas décadas: la detección de moléculas quirales mediante plasmónica y transporte molecular en micro-canales. Las moléculas quirales muestran respuestas ópticas en el rango ultravioleta del espectro y son comúnmente caracterizadas mediante dicroísmo circular (CD). Sin embargo, dicha respuesta óptica es minúscula y requieres grandes concentraciones y volúmenes de muestra para ser media. La plasmónica tiene el potencial de aumentar sensibilidad de los métodos actuales y además trasladar la respuesta quiral al rango visible. Aunque hasta la fecha, no se han conseguido predecir las propiedades óptimas que deben poseer los sensores para realizar dicha tarea de forma eficiente. En consecuencia, existen una variedad de trabajos publicados difíciles de interpretar y de enlazar. En este sentido hemos conseguido desarrollar un sensor compuesto por una mezcla racémica de cruces gamadas que es capaz de diferenciar entre enantiómeros de forma directa. Además, también presentamos una plataforma plasmónica y fluídica que permite el estudio sistemático de moléculas quirales mediante la realización de multiples ensayos simultáneos en un solo chip. Por otro lado, abordamos la limitación del transporte de moléculas por difusión browniana en micro-canales. Un problema que limita la velocidad en la detección de los sistemas que integran sensores plasmónicos con la microfluídica. En este frente, utilizamos el efecto electro-termo-plasmónico (ETP) para rebasar este límite a través de la generación de flujos convectivos que alteran el flujo laminar que impera en los micro-canales. Con este fin, hemos diseñado un chip que integra el estado del arte de la microfluídica con el efecto ETP. Los resultados que ofrecemos demuestran que el rendimiento de un ensayo en el nuevo sistema ETP-LSPR es superior al realizado en un LSPR estándar.